净水技术|城镇排水系统水力模型在防汛实时预警中的应用与展望
该文通过调研国外水力模型在防汛实时预警中的应用，对比我国实际情况，总结了我国防汛实时预警系统现状与国外先进示范的差距及造成差距的原因。从政策支持、顶层设计、推进时序、技术储备等方面对我国防汛实时预警系统的发展进行了展望。本文作者：上海市城市排水有限公司技术设计研究分公司/高磊。文章选自《净水技术》2016年第二期。文章版权专有，转载请注明出处。
圣维南方程组、曼宁公式、单位线法等一系列重要的水文、水力学理论的提出，奠定了水力模型产生的理论基础。20世纪70年代起，计算机技术不断发展，结合水文、水力学理论基础，美国等发达国家开发了计算机模型软件，并开始将水力模型技术应用于城市排水系统的数值模拟、辅助设计、性能评价及污染控制等诸多方面。目前，城市地区暴雨内涝已成为一个全球性问题，水力模型对降雨及内涝情况的模拟和预警已然成为发展趋势。
水力模型应用于实时防汛系统中需要应用离线模型和系统软件构架共同构建在线模拟系统。排水系统离线模型是在线模拟系统建设的前提；系统软件构架是建设在线模拟系统的基础和关键。目前应用较广的离线模型主要包括SWMM、InfoWorks CS、MIKEURBAN、SewerGEMS及SOBEK等；在线模拟软件系统构架包括Delft-FEWS、MIKE Flood Watch及FloodWorks等。
2.1国外的应用
自20世纪90年代后期起，国外逐步将水力模型应用于防汛在线模拟预警系统。随着信息的不断丰富和模型技术的不断提高，在线模型在防汛实时领域正不断推广应用。
英国泰晤士水务公司与Innovyze公司合作，在伦敦Beckton流域的Hammersmith和Fulham地区（如图1所示）建立了在线模拟示范系统。该实时系统以英国气象局提供的降雨观测和雷达预报数据信息识别降水来源。对问题地区，系统接入了遥测系统进行识别。这些措施使泰晤士水务公司对排水系统的管理更为积极。
图1 伦敦Beckton流域的Hammersmith和Fulham地区示意图
日本新潟引进了由Metawater公司和日本污水处理工程技术协会(JIWET)共同开发的实时洪水预报与预警系统。该系统通过雷达和遥测数据获取相关信息，每5min利用这些数据进行一次实时模拟，能够提前1 h计算管道水位和洪水水位的预测值。系统的模拟结果与观测信息进行集成，并作为实时信息通过网络每5min传输一次。
图2 新潟市排水系统示意图
由于荷兰污水系统不仅收集家庭、工业废水，也收集来自于街道和屋顶的雨水，因此在暴雨天气排水管网会很快充满并溢流，污染地表水。为此，荷兰水务管理部门建立了一体化调度控制系统，并开展了示范区域研究。第一个示范点是Klaaswaal市，该示范点主要通过实时控制优化可用的存储容积减少溢流。该示范点的水力模型中通过加入特定的RTC(Real-Time Control，实时控制)模块实现控制参数的设定。第二个示范点是Strijen市，该示范项目通过控制额外污水流入量，优化了污水系统的储蓄容积。Strijen市的污水处理厂有剩余处理能力，可用于暴雨时的调蓄容积，但需要控制进入污水处理厂的污水水质，这项功能通过安装水质传感器进行检验。
2.2国内的应用
随着国外水力模型的推广，国内排水行业的建模技术也逐渐兴起。岑国平等建立了城市雨水管道计算模型（SSCM），周玉文建立的城市排水管网非恒定流模拟模型（CSPSM）为排水系统的动态模拟奠定了基础，徐向阳利用水力模型模拟了北京市太平湖排水系统的雨洪过程。这些水力模型的运用与建立，为水力模型在防汛预警中的发展奠定了坚实的基础。随后，越来越多的商业水力模型软件进入到排水系统的建模研究中，在北京、上海、广州等地均有运用，但目前水力模型的运用方向主要集中在运行评估、系统规划及方案研究等方面。水力模型在防汛实时预警方面的应用由于受基础数据精度、雷达预报技术及响应速度的限制，在国内仍处于起步阶段。上海长桥地区建立的防汛实时预警系统为国内为数不多的应用先例之一，如图3所示。
图3 上海长桥地区防汛实时预警试点系统示意图
2.3应用差距及限制
国外水力模型在防汛实时预警方面已经有了较为成熟的运用。而在我国，该运用尚处于起步阶段，这主要是由于以下三方面的限制，即基础数据、参数设定及预报技术。
基础数据是建立水力模型的基石。在理想条件下，建立模型所需要的基础资料应当是完整的。这些资料包括水文、水力、地形、管道等多重数据。但实际工作时，获取的基础资料不仅十分有限，且数据质量也十分参差，有时，关键数据甚至无从获取。这种情况是阻碍水力模型大规模运用的最关键因素。
水力模型的原理就是按照约定的计算法则进行参数计算。因此，模型建立时约定的参数对模拟结果起到了决定性作用。由于过去设计中较少涉及，因此这些参数的积累十分有限。实际工作中，有些参数是按照国外的经验值设定，不一定符合我国实际情况；有些则是根据行业运行经验设定，未经过科学的验证。参数设定的准确与否直接决定了模型的可靠性。
水力模型要真正运用到防汛实时预警中，需要与预报技术成熟结合。虽然近年来，我国的雷达预报技术已经有了长足的发展，但是其观测频率和分辨率仍有待提高。同时，雷达预报技术与防汛实时预警的结合属于创新体制，还需要政府相关机构的促成。
水力模型作为关键技术运用于防汛实时预警中，是未来的发展方向。在这方面，国外水务以在线模型为基础的优化调度和应急管理技术已经成熟。而国内的应用才刚刚起步，上海排水在防汛和系统的优化调度方面虽然具有良好的信息基础和实践经验，但为了保障上海的防汛安全，高起点、高标准、高精度地建设防汛实时预警系统，达到精细化、智能化、国际化的要求，对上海在防汛实时预警的发展策略上提出了以下几点展望。
3.1政策扶持、集成多方优势
政策扶持是发展防汛实时预警技术的重要保障。从一定程度上来说，防汛实时预警技术的成熟可以为政府决策提供依据，保障城市的正常运转。同时，从国外的应用经验可以看出，防汛实时预警系统的成功通常需要政府、事业、企业、科研等多方面以及水务、气象等多职能单位的技术合作。因此，政府在政策层面不仅应为防汛实时预警技术的发展应用提供保障，也要积极建立相关体制，促进相关单位的技术合作。
3.2创新融合、优化顶层设计
防汛实时预警系统的建立是一项崭新的、复杂的工作，尤其建立上海这样一个复杂而庞大排水系统的防汛实时预警系统，更需要从建设理念、运行管理、关键技术等方面借鉴国内外的成功经验，结合自身优势进行创新。城市水务的基础设施（如供水设施，雨水排放设施、污水排放设施等）有时可以作为一个整体考虑。如荷兰“地表水资源和污水系统一体化调度控制”应用案例中，将污水处理厂的调蓄能力等纳入防洪考虑范畴，这一点值得我们借鉴。水务基础设施的统筹考虑，可以为今后的预警系统提供更大的调控空间，优化建设理念。
3.3先易后难、有序推进建设
防汛实时预警系统的建设不是一蹴而就的，也不是简单的模块与模块的拼凑，需要从易到难，从示范到系统，一步一步逐渐完善。国外防汛实时预警系统的开发目前也多采用这种形式，如“英国环境署国家防汛系统”，就是在总结了示范工程项目的成功经验后，再总结经验、探索扩展到整个系统。
3.4注重人才、夯实技术储备
人才培养是目前我国水力模型应用的一大关键问题。目前模型应用人才的培养主要是高校培养和单位培养。无论哪种培养方式都应该避免粗放型的培养方式，要以实践为基础，实事求是的摸索。不能以会运用某种模型软件为培养目标，而是要真正参透模型的计算原理，防止在实践过程中的无意操作导致的不合理状况，为未来的防汛实时预警系统的建设夯实基础。
水力模型的诞生标志着排水设计进入了智能化时代，水力模型在防汛实时预警中的应用标志着排水防汛运行从经验管理到知识管理的突破。目前国外已经在防汛实时预警系统方面有了较多的应用经验，我国在这方面还处于初级阶段，其开拓和发展还将遇到重重阻力。我们在参照发达国家先进理念和发展经验的同时，也要结合我国的实际情况，不断完善系统体系，使水力模型在防汛实时预警系统中得到最大化的应用。
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